下承式系桿拱橋吊桿更換施工研究

摘" 要：某下承式預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱，由于拱肋裂縫、吊索刮痕、錨具銹蝕等病害眾多，開(kāi)展吊桿更換專項(xiàng)施工。該文主要基于吊桿更換工程實(shí)例，對(duì)系桿拱橋吊桿更換展開(kāi)詳細(xì)研究，主要探討吊桿更換的設(shè)計(jì)原則、施工流程和監(jiān)控內(nèi)容，并利用有限元分析軟件MIDAS進(jìn)行建模分析，模擬封閉交通情況下吊桿切割后臨時(shí)吊索失效時(shí)的索力與變形，驗(yàn)算吊桿更換施工的安全性。最后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程，描述工程實(shí)施的具體效果并提出若干建議。

關(guān)鍵詞：系桿拱橋;吊桿更換;施工過(guò)程;方案設(shè)計(jì);安全驗(yàn)算

中圖分類號(hào)：U445.7" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0155-04

Abstract： A through prestressed concrete tied arch carried out special construction to replace the suspender due to numerous diseases such as cracks in the arch rib， scratches on the sling， and corrosion of the anchorage. This paper mainly conducts a detailed study on the replacement of hangers in a tied arch bridge based on the example of a hanger replacement project， mainly discusses the design principles， construction process and monitoring content of the replacement of hangers; and uses the finite element analysis software MIDAS to conduct modeling and analysis to simulate the cable force and deformation when the temporary sling fails after the suspension is cut under closed traffic conditions， and checks the safety of the replacement construction of the suspension. Finally， according to the actual construction process on site， the specific effects of project implementation are described and several suggestions are put forward.

Keywords： tied arch bridge; suspender replacement; construction process; scheme design; safety check

橋型美觀、強(qiáng)度高、建造工藝成熟等眾多優(yōu)點(diǎn)使系桿拱橋成為了市政道路上最為常見(jiàn)的橋型之一[1-4]。橋梁建成若干年后，吊桿腐蝕[5]、疲勞[6]等病害嚴(yán)重影響了系桿拱橋的安全性和耐久性，更換吊桿也就成了維修養(yǎng)護(hù)工作中的首選[7-8]。某大橋主橋部分為下承式預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱，建成于2008年，經(jīng)過(guò)十幾年的運(yùn)營(yíng)，已經(jīng)出現(xiàn)了拱肋裂縫、吊索刮痕、錨具銹蝕等病害。因此，針對(duì)該主橋制訂維修加固計(jì)劃，主要方案為吊桿更換專項(xiàng)施工?，F(xiàn)以該橋?yàn)槔芯肯禇U拱橋吊桿的更換施工過(guò)程，這將為工程應(yīng)用提供切實(shí)的案例與思考，具有廣泛的工程意義和應(yīng)用前景。

1" 工程概況

1.1nbsp; 工程簡(jiǎn)介

該橋?yàn)槭姓蛄?，跨徑組合為7×16 m+68 m+5×16 m。主橋?yàn)橄鲁惺筋A(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱，如圖1所示。拱肋軸線為y=4fx/L-4fx2/L2的二次拋物線，計(jì)算跨徑為68.0 m，矢跨比為1∶5，吊桿豎向設(shè)置。橋梁總寬12.5 m，其中行車道寬11.5 m，兩側(cè)欄桿寬度均為0.5 m。系桿、拱肋、端橫梁和中橫梁均采用C50混凝土，系桿、橫梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線為270級(jí)高強(qiáng)度低松弛的鋼絞線。全橋共計(jì)32根吊桿，舊吊桿采用內(nèi)芯為85Φ5 mm高強(qiáng)鋼絲拉束，型號(hào)為OVMDS5-85，采用防腐索體。新吊桿采用位于HDPE護(hù)套管內(nèi)的外包PE塑料護(hù)套并涂有油脂的單根環(huán)氧噴涂鋼絞線組成的鋼絞線束。單根鋼絞線規(guī)格公稱直徑為15.2 mm，鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105 MPa。

1.2" 橋梁現(xiàn)狀

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，該主橋技術(shù)狀況評(píng)分不足80分，技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為3類。上部結(jié)構(gòu)主要病害見(jiàn)表1。根據(jù)橋梁病害狀況可知，主要受力構(gòu)件均已出現(xiàn)較嚴(yán)重的病害，現(xiàn)有吊桿已無(wú)法適應(yīng)日益繁重的交通量要求，因此該主橋亟需加固維修。

2" 吊桿更換方案

2.1" 設(shè)計(jì)原則

吊桿更換的方案設(shè)計(jì)應(yīng)遵守以下原則：

1）施工全過(guò)程必須保證橋梁的結(jié)構(gòu)安全，不得對(duì)橋梁其他部位造成損傷，更換吊桿后橋梁的承載性能不降低，滿足設(shè)計(jì)要求和該道路的運(yùn)營(yíng)需求;

2）吊桿更換應(yīng)使吊桿索力和橋梁線形都符合擬定的設(shè)計(jì)狀態(tài)，全過(guò)程線形擾動(dòng)小;

3）新吊桿和錨具應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，滿足新標(biāo)準(zhǔn)，耐久性能好，經(jīng)濟(jì)適用，便于更換施工;

4）吊桿更換方案應(yīng)有較好的經(jīng)濟(jì)性，具有良好的可操作性和可控性。

2.2" 施工過(guò)程

吊桿更換順序遵循橫橋向兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行;順橋向由兩側(cè)向中間對(duì)稱進(jìn)行，逐根更換。從拱腳到拱頂依次更換吊桿，橫橋向兩側(cè)對(duì)稱更換，可有效減少由于更換次序引起的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)。本次吊桿更換采用臨時(shí)替代法[9]，施工技術(shù)和工藝比較成熟，具體過(guò)程如圖2所示。臨時(shí)吊桿系統(tǒng)是吊桿更換時(shí)代替原吊桿臨時(shí)受力的一套張拉錨固體系，對(duì)全橋維修加固是否順利起關(guān)鍵性的作用，整套系統(tǒng)必須安全可靠。為順利實(shí)現(xiàn)吊桿更換，考慮到施工簡(jiǎn)便、快捷、高效，每一套臨時(shí)吊桿系統(tǒng)均采用4個(gè)鋼橫梁，4根40號(hào)精軋螺紋鋼，4個(gè)相同型號(hào)的千斤頂，1個(gè)油泵及相應(yīng)的油管?？紤]到臨時(shí)吊桿工具的安全性，以及精軋螺紋鋼的自身受力范圍等要求，擬采用同步頂升系統(tǒng)，同時(shí)張拉以保證每根臨時(shí)吊桿受力相等，使施工荷載在拱肋拱軸線上受力。

整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了2次體系轉(zhuǎn)換，為保證臨時(shí)吊桿與老吊桿、新吊桿之間的索力轉(zhuǎn)移平穩(wěn)，分3級(jí)加載和卸載。第一次體系轉(zhuǎn)換即將舊吊桿的拉力轉(zhuǎn)換為臨時(shí)工具吊桿系統(tǒng)受力，采用分級(jí)張拉臨時(shí)吊桿，并分級(jí)割斷舊吊桿鋼絲的方法進(jìn)行。第二次體系轉(zhuǎn)換即通過(guò)交替張拉新吊桿和卸載臨時(shí)吊桿，將臨時(shí)吊桿承擔(dān)的吊桿力轉(zhuǎn)移到新的吊桿上，由新吊桿取代臨時(shí)吊桿受力。采用逐步加載的方式，先對(duì)新吊桿加載約10%的設(shè)計(jì)吊桿力，使其具備一定的初應(yīng)力。然后張拉新吊桿并相應(yīng)地逐步減小臨時(shí)吊桿力，使卸載的臨時(shí)吊桿力等于加載的新吊桿力，直至臨時(shí)吊桿將所有的設(shè)計(jì)承載力全部轉(zhuǎn)移到新的吊桿上。

2.3" 施工監(jiān)控

該橋施工過(guò)程控制應(yīng)主要以線形和索力進(jìn)行雙控，對(duì)梁體應(yīng)力和病害狀況全程關(guān)注。根據(jù)系桿拱橋吊桿更換施工工藝和受力形式，施工控制工作主要包括以下主要內(nèi)容：①結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)。重點(diǎn)檢查混凝土拱肋、系梁、拱腳有無(wú)結(jié)構(gòu)裂縫，若結(jié)構(gòu)表面存在裂縫，根據(jù)裂縫特征，布置裂縫觀測(cè)點(diǎn)。對(duì)關(guān)鍵控制截面進(jìn)行裂縫觀測(cè)。②吊桿和橋梁線形，即拱肋、橋面線形和橫梁線形。拱軸線形和橋面線形變化會(huì)使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)生變化，影響其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此，在更換吊桿施工中線形的測(cè)量數(shù)據(jù)是衡量更換吊桿前后結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定的重要依據(jù)。③吊桿索力。吊桿索力的大小不僅直接關(guān)系到吊桿的受力，同時(shí)還會(huì)影響橫梁、拱肋的受力，故在施工階段及施工結(jié)束后，準(zhǔn)確測(cè)量吊桿的索力并將其調(diào)整到設(shè)計(jì)允許偏差以內(nèi)，對(duì)保證施工安全及橋梁的設(shè)計(jì)線形非常重要。④拱肋、拱腳應(yīng)力。各工序階段關(guān)鍵截面的應(yīng)力，如拱腳、系梁和拱肋四分點(diǎn)以及系梁和拱肋跨中截面的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，確保吊桿更換過(guò)程中，結(jié)構(gòu)受力處在安全范圍。⑤環(huán)境溫度?，F(xiàn)場(chǎng)溫度對(duì)結(jié)構(gòu)體系自身以及實(shí)際測(cè)量的精確度都有一定的影響，為此，要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度分時(shí)段進(jìn)行多次測(cè)量作為后續(xù)實(shí)際施工對(duì)應(yīng)時(shí)段的參照。

3" 施工安全性驗(yàn)算

3.1" 分析模型

本次采用正版橋梁專用有限元分析軟件MIDAS進(jìn)行建模分析，分析模型如圖3所示。吊桿采用桁架單元，拱肋、系桿采用梁?jiǎn)卧?，全橋模型共包?92個(gè)節(jié)點(diǎn)，416個(gè)梁?jiǎn)卧?2個(gè)桁架單元。吊桿與橫梁、拱肋采用剛性連接，邊界條件為1個(gè)固定支座，3個(gè)雙向可移動(dòng)支座。

由于吊桿更換需要經(jīng)過(guò)2次體系轉(zhuǎn)換，即臨時(shí)吊桿張拉→舊吊桿卸載，新吊桿張拉→臨時(shí)吊桿卸載，監(jiān)控控制值按最不利狀況下進(jìn)行計(jì)算取值，張拉力或卸載力最大分級(jí)量30%對(duì)系梁、拱肋位移、應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。張拉力、卸載力根據(jù)初始狀態(tài)數(shù)據(jù)采集的索力實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。

3.2" 吊桿在更換過(guò)程中的安全性驗(yàn)算

為充分考慮更換施工的安全性，本次計(jì)算模擬了封閉交通情況下的吊桿更換期間，吊桿切割后臨時(shí)吊索失效的情況，索力與變形如圖4和圖5所示。吊桿在更換過(guò)程中最大索力為746.7 kN，未超過(guò)原橋吊桿破斷力為2 787 kN，安全系數(shù)為3.73。吊桿在更換過(guò)程中，系梁撓度最大下?lián)蠟?.4 mm，拱肋最大上撓為14 mm，滿足要求。根據(jù)拱肋、系梁的上、下緣應(yīng)力，拆除吊桿后主要是對(duì)臨近構(gòu)件應(yīng)力產(chǎn)生較大影響，拱肋的上、下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且最大壓應(yīng)力為-15.9 MPa，不超過(guò)允許值22.4 MPa。根據(jù)系梁上、下緣最大最小應(yīng)力，系梁上、下緣均不出現(xiàn)拉應(yīng)力，且最大壓應(yīng)力為-19.0 MPa，未超過(guò)允許值。

在吊桿更換過(guò)程中，各吊點(diǎn)變形幅值較小，應(yīng)力水平均較低，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求;在吊桿更換過(guò)程中，臨時(shí)吊桿及新吊桿應(yīng)力水平低，安全系數(shù)均大于2.5，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。綜上所述，橋梁吊桿更換在封閉全橋交通情況下實(shí)施，有限元模擬臨時(shí)吊索失效的情況下，其對(duì)臨近構(gòu)件產(chǎn)生一定影響，但變形和應(yīng)力均未超出限值，總體安全可控。

4" 工程應(yīng)用結(jié)果與建議

該橋于2023年展開(kāi)了吊桿更換專項(xiàng)工程，整體施工效果良好，過(guò)程中索力、線形變化均在可控范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程，并非張拉臨時(shí)吊桿全部結(jié)束后才開(kāi)始切割舊吊桿，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)根據(jù)線形監(jiān)控結(jié)果人為調(diào)控。在分級(jí)張拉臨時(shí)吊桿的過(guò)程中，如果線形監(jiān)控結(jié)果不理想，可通過(guò)分級(jí)切割舊吊桿的形式調(diào)整線形，從而避免施工過(guò)程中的橋梁擾動(dòng)過(guò)大。分級(jí)加載新吊桿和分級(jí)卸載臨時(shí)吊桿的過(guò)程同理可交叉進(jìn)行。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，由于施工工序、加載卸載分級(jí)多、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目特別多，施工進(jìn)度十分緩慢，無(wú)法避免夜間施工。實(shí)際上，夜間施工的監(jiān)測(cè)效率和準(zhǔn)確性都會(huì)大打折扣。因此，在施工過(guò)程中，監(jiān)控項(xiàng)目過(guò)多會(huì)導(dǎo)致施工速度緩慢，可適當(dāng)考慮增加監(jiān)控人員或縮減監(jiān)控項(xiàng)目。由于橋梁經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)營(yíng)后索力必然與成橋索力、設(shè)計(jì)值存在差異，所以在更換第一根吊桿時(shí)，工序和監(jiān)控項(xiàng)目并不能省略。第一根吊桿更換成功后，可借鑒經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)考慮工序優(yōu)化或縮減監(jiān)控項(xiàng)目。

5" 結(jié)論

1）從拱腳到拱頂依次更換吊桿，橫橋向兩側(cè)對(duì)稱更換，可有效減少由于更換次序引起的結(jié)構(gòu)擾動(dòng)。

2）分級(jí)張拉臨時(shí)吊桿和分級(jí)切割舊吊桿可交叉進(jìn)行，具體根據(jù)線形監(jiān)控結(jié)果人為調(diào)控，有利于減弱施工過(guò)程中的橋梁擾動(dòng)。分級(jí)加載新吊桿和分級(jí)卸載臨時(shí)吊桿同理。

3）吊桿更換施工過(guò)程，應(yīng)主要以線形和索力進(jìn)行雙控，對(duì)梁體應(yīng)力和病害狀況全程關(guān)注。

4）橋梁吊桿更換在封閉全橋交通情況下實(shí)施，有限元模擬臨時(shí)吊索失效時(shí)，其對(duì)臨近構(gòu)件產(chǎn)生一定影響，但變形和應(yīng)力均未超出限值，總體安全可控。

5）第一根吊桿更換成功后，可借鑒經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)考慮工序優(yōu)化或縮減監(jiān)控項(xiàng)目。

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作者簡(jiǎn)介：楊貴興（1991-），男，工程師。研究方向?yàn)橥聊竟こ淌┕ぁ?/p>